轴向拉伸与压缩课件

轴向拉伸与压缩课件课程目标理解轴向拉伸与压缩的基本概念掌握应力、应变、杨氏模量等关键参数。学习轴向拉伸与压缩试验的原理与步骤熟悉测试设备的操作方法，并能分析实验数据。了解轴向拉伸与压缩在工程中的应用分析典型案例，掌握设计与计算方法。轴向应力概述轴向应力是指作用在物体横截面上且方向与横截面垂直的应力。它通常由外力引起的，例如拉伸、压缩或扭转。在工程应用中，轴向应力是一个重要的概念，它决定着材料的强度和刚度。了解轴向应力有助于理解材料的力学行为，并为设计安全可靠的结构提供依据。应力与应变的关系1应力物体内部抵抗形变的内力2应变物体在外力作用下发生的形变程度3应力-应变关系应力和应变之间的关系弹性应变与塑性应变弹性应变当载荷去除后，材料恢复到原始形状的变形称为弹性应变。塑性应变当载荷去除后，材料无法恢复到原始形状的变形称为塑性应变。杨氏模量杨氏模量衡量材料在弹性范围内抵抗形变的能力。材料的屈服强度100屈服强度材料开始发生永久性变形的应力值50弹性极限材料在卸载后能完全恢复原形的最大应力值0比例极限材料的应力与应变成正比例关系的应力值断裂应力定义材料断裂时的应力值，表示材料抵抗断裂的能力。影响因素材料的成分、结构、温度、加载速度等。应用材料选型、结构设计、安全评估等。应变硬化现象屈服强度材料发生塑性变形后，其抗拉强度会增加。晶格畸变应变硬化是由于金属晶格发生畸变，导致位错运动受阻而引起的。实用价值应变硬化现象可以用于提高材料的强度和韧性，增强材料的抗疲劳性能。应力-应变曲线应力-应变曲线是材料力学中重要的概念之一，它描述了材料在受到拉伸或压缩载荷时的应力与应变之间的关系。应力是材料内部由于外力作用而产生的内力，而应变是材料在受到外力作用后产生的形变。应力-应变曲线通常分为弹性区、屈服区和强化区三个阶段。在弹性区内，材料的应变与应力成线性关系，且当外力消失后材料可以恢复到原始状态。在屈服区内，材料的应变不再与应力成线性关系，且材料会发生永久变形。在强化区内，材料的应变随应力增加而增加，但增加的速率比屈服区慢。材料性质的影响因素合金成分合金的成分直接影响其强度、硬度和延展性。不同金属的比例会改变材料的性能。热处理热处理工艺，如淬火和回火，会改变材料的微观结构，从而影响其机械性能。表面处理表面处理，如镀层或涂层，可以提高材料的耐腐蚀性和抗磨损性。温度对材料性质的影响1强度降低温度升高会导致材料的屈服强度和抗拉强度下降。这是因为温度升高会导致材料的原子振动加剧，从而降低了材料的强度。2韧性增加温度升高会导致材料的韧性增加，这是因为温度升高会导致材料的原子振动加剧，从而更容易发生塑性变形。3蠕变在高温下，材料会发生蠕变，即在长时间的应力作用下，材料会缓慢地发生塑性变形。这是因为高温下材料的原子会更容易发生迁移。变形对材料性质的影响1强度变化变形导致材料内部结构发生改变，从而改变其强度。2塑性变化塑性变形会降低材料的塑性，使其更容易发生断裂。3韧性变化变形会改变材料的韧性，使其更容易发生断裂。应变速率对材料性质的影响应变速率增加材料的强度和韧性会提高应变速率降低材料的延展性会提高动态加载材料可能表现出不同的力学行为轴向拉伸试验的基本步骤准备试样选择合适的材料并加工成标准试样，保证试样的尺寸和形状符合要求。试样应无明显缺陷和损伤。安装试样将试样固定在拉伸试验机上，确保试样在拉伸过程中保持稳定。使用夹具或其他装置将试样固定在拉伸试验机的夹具上。加载试验在拉伸试验机的控制下，对试样施加逐渐增加的轴向拉伸载荷。同时记录载荷和试样的伸长量。数据记录通过传感器或其他装置记录试样在拉伸过程中的应力、应变、伸长量等数据。这些数据将用于绘制应力-应变曲线。分析结果根据记录的数据，绘制材料的应力-应变曲线，分析材料的机械性能参数，例如屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率等。轴向压缩试验的基本步骤1准备试样根据标准要求准备尺寸和形状符合要求的试样，并清洁试样表面。2安装试样将试样安装在压缩试验机上，确保试样与试验机夹具之间紧密接触，并保证试样处于垂直方向。3施加载荷以恒定的速度施加压缩载荷，并记录载荷和位移值。4分析数据根据试验数据绘制应力-应变曲线，并分析材料的力学性能，如屈服强度、弹性模量等。合金材料的应力-应变曲线合金材料的应力-应变曲线通常比纯金属更复杂，因为它们包含多种元素，这些元素的组合会影响材料的机械性能。例如，添加合金元素可以提高材料的强度和硬度，但也可能降低其延展性和韧性。复合材料的应力-应变曲线复合材料的应力-应变曲线与单一材料的曲线有所不同。它们通常呈现非线性特征，并可能出现多个屈服点和断裂点。这与复合材料的复杂结构和不同材料组成的相互作用有关。例如，纤维增强复合材料的应力-应变曲线通常表现出明显的弹性阶段，然后是较长的塑性阶段，最后以断裂点结束。曲线形状和特征取决于纤维材料、基体材料和纤维排列方式等因素。钢材料的应力-应变曲线低碳钢低碳钢具有良好的延展性，应力-应变曲线呈现明显的屈服平台，断裂前发生明显的颈缩现象。中碳钢中碳钢强度较高，延展性较低，应力-应变曲线呈现出较小的屈服平台，断裂前发生轻微的颈缩现象。高碳钢高碳钢强度最高，延展性最低，应力-应变曲线呈现出较小的屈服平台，断裂前基本不发生颈缩现象。工程应用案例分享桥梁建造轴向拉伸和压缩在桥梁建造中发挥重要作用，例如钢缆的拉伸和桥墩的压缩。建筑工程建筑结构的稳定性需要考虑轴向拉伸和压缩，例如柱子的承重和梁的弯曲。机械制造轴向拉伸和压缩广泛应用于机械制造，例如螺栓的连接和齿轮的受力分析。轴向拉伸与压缩的区别拉伸外部力使物体沿轴线伸长。压缩外部力使物体沿轴线缩短。轴向拉伸与压缩的失效模式断裂材料在拉伸或压缩应力作用下，由于微观裂纹的扩展，最终导致断裂失效。屈服材料在拉伸或压缩应力作用下，超过其屈服强度，产生永久变形，无法恢复原状。蠕变材料在高温和持续应力作用下，缓慢变形，导致尺寸变化或断裂。疲劳材料在反复的应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会出现裂纹并最终断裂。轴向拉伸与压缩的应用领域建筑工程钢筋混凝土结构、桥梁建设、高层建筑等机械制造汽车零部件、飞机机身、精密仪器等航空航天火箭发动机、卫星发射架、飞机机翼等轴向拉伸与压缩的设计注意事项材料选择选择合适的材料，以确保其能够承受拉伸或压缩载荷，并满足设计要求的强度、刚度和韧性。几何形状考虑几何形状对应力分布的影响，设计合适的截面形状和尺寸，以避免应力集中和失效。边界条件正确定义边界条件，例如固定端、支撑和约束条件，以准确模拟实际情况。安全系数选择合适的安全系数，以确保结构能够承受预期载荷并有一定的安全裕量。轴向载荷的安全因子概念安全因子是用来衡量结构或部件在承受轴向载荷时，其强度储备的能力。公式安全因子=材料的屈服强度/实际工作应力应用选择适当的安全因子可以确保结构或部件在工作状态下不会因轴向载荷而失效。轴向载荷的承载能力计算计算轴向载荷的承载能力需要考虑材料的强度、截面积、安全系数等因素。轴向拉伸与压缩的失效分析断裂材料在拉伸或压缩应力下发生断裂，导致结构失效。屈服材料在拉伸或压缩应力下发生永久变形，导致结构无法恢复原状。失稳结构在拉伸或压缩应力下失去稳定性，导致结构倒塌。轴向拉伸与压缩的测试方法万能试验机万能试验机用于测量材料在拉伸、压缩和弯曲等载荷下的力学性能，是进行轴向拉伸与压缩测试的常用设备。应变片应变片通过测量材料的变形量来计算应变，是测量材料在轴向拉伸与压缩过程中应变变化的常用方法。引伸计引伸计用于精确测量材料的伸长量，可用于获得材料的应变值，常用于轴向拉伸与压缩测试中。轴向拉伸与压缩的未来发展趋势智能材料智能材料，如形状记忆合金和自修复材料，正在不断发展，有望改变轴向拉伸与压缩的设计和应用。数值模拟有限元分析等数值模拟技术将不断发展，为更准确地预测材料在轴向拉伸与压缩下的行为提供更强大的工具。先进制造3D打印和增材制造等先进制造技术将使我们能够制造出更复杂的